基于可见光通信的双宽差分脉冲位置调制

宋小庆， 贾胜杰， 赵梓旭， 魏有财

(装甲兵工程学院控制工程系， 北京 100072)



基于可见光通信的双宽差分脉冲位置调制

宋小庆， 贾胜杰， 赵梓旭， 魏有财

(装甲兵工程学院控制工程系， 北京 100072)

摘要：针对车内可见光通信系统高带宽、高功率和低误码率的要求，提出了一种新型的双宽差分脉冲位置调制(DualDurationDifferentialPulsePositionModulation，DD-DPPM)方式，对其符号结构、带宽需求、平均发射功率及误时隙率进行了分析计算，并与开关键控(On-OffKeying,OOK)调制、脉冲位置调制(PulsePositionModulation,PPM)、差分脉冲位置调制(DifferentialPulse-PositionModulation,DPPM)、双头脉冲间隔调制(DualHeaderPulseIntervalModulation,DH-PIM)和反向双头脉冲间隔调制(ReverseDualHeaderPulseIntervalModulation,RDH-PIM) 5种调制方式进行了仿真对比。结果表明：DD-DPPM具有比OOK和RDH-PIM更强的抗干扰能力，以及比DPPM、DH-PIM更高的带宽利用率和平均发射功率，是一种综合性能优良的调制方式，在可见光通信系统中具有一定的应用前景。

关键词：可见光通信； 调制； 双宽差分脉冲位置调制； 误时隙率

LED具有亮度高、功耗小、价格低、寿命长等优点，白光LED取代白炽灯、日光灯作为主要照明光源已成为必然趋势[1]。基于白光LED的可见光通信技术兼具光纤通信和移动通信的优势，与普通光无线通信和射频通信相比，具有速度快、成本低、安全性好，以及免电磁干扰、无需无线电频谱认证等突出优点[2-3]，受到了广泛的关注。

调制技术是一种提高可见光通信系统传输速率的重要途径，其主要包括开关键控(On-OffKeying,OOK)调制和脉冲位置调制(PulsePositionModulation,PPM)[4]等经典调制方式，以及差分脉冲位置调制(DifferentialPulse-PositionModulation,DPPM)[5]、双头脉冲间隔调制(DualHeaderPulseIntervalModulation,DH-PIM)[6]和反向双头脉冲间隔调制(ReverseDualHeaderPulseIntervalModulation,RDH-PIM)[7]等衍生调制方式。OOK实现简单，带宽需求小，但功率利用率低且抗干扰性能差；PPM较大地提高了功率利用率和抗干扰性能，但需要符号同步且带宽需求大；DPPM和DH-PIM不需要符号同步，具有介于PPM和OOK之间的带宽需求、功率利用率和误时隙率[8]；RDH-PIM是一种反向调制方式，可以获得远大于其他调制方式的平均发射功率，其不足在于误时隙率较高，难以应用于某些对传输可靠性要求较高的场合。针对上述情况，笔者结合脉冲宽度调制和差分脉冲位置调制方式，提出双宽差分脉冲位置调制(DualDurationDifferentialPulsePositionModulation，DD-DPPM)方式，分析可见光通信系统采用该调制方式时的符号结构，并与上述5种调制方式进行仿真对比。

1符号结构

在OOK调制方式中，二进制信息中的“1”和“0”分别由传输信号载波的高、低电平来表示，以此控制光信号的通断并进行信息的传输；在PPM调制方式中，码元周期由2M个时隙组成(M为调制阶数)，所传输的M位二进制数据映射为码元周期中某个时隙的单脉冲信号；DPPM是在PPM基础上的改进型调制方式，只要把PPM符号中高电平(“1”)后面的时隙去掉，即可得到相应的DPPM信号；在DH-PIM调制方式中，每个符号由2种不同的头部脉冲时隙和后续若干个空时隙组成[9]；而在RDH-PIM调制方式中，信息位用空时隙表示，调制符号由2种不同的头部空时隙和后续若干个脉冲时隙组成。

DD-DPPM调制方式是将M位比特信息所占据的时间段划分为由N个等长时隙组成的码元周期，每个码元周期的最后一个时隙为标志位，发送脉冲信号进行数据传输，其符号结构可以表示为

式中：WP为脉冲宽度;k为传输二进制数据所对应的十进制数。

假设要传输的二进制数据为“01001100”，调制阶数M=4，则OOK、PPM、DPPM、DH-PIM、RDH-PIM和DD-DPPM6种调制方式的符号结构如图1所示。

图1M=4时各调制方式的符号结构

2调制方式性能分析

2.1带宽需求与平均发射功率

在基带调制技术中，带宽需求通常被定义为传输信号的功率谱密度中从直流到第1个零值点的区段，也就是主瓣宽度[10]。光脉冲信号的时隙宽度较窄，可以用其时隙宽度的倒数来估计带宽需求的大小[11]。本文在假设传输信息比特率相等且为Rb的条件下，对各调制方式的带宽需求进行对比分析。

假设OOK调制方式的时隙宽度为τOOK，则其带宽需求为BOOK=1/τOOK。由于传输信息比特率相等，即在相同时间内不同调制方式可以传输相同的信息，可得τOOK·M=τPPM·2M，因此PPM调制方式的时隙宽度τPPM=M·τOOK/2M。对于DD-DPPM，脉冲宽度有α和α/2两种，显然带宽需求应由宽度为α/2的脉冲决定[12]。同理，可得其他调制方式的带宽需求。

为了满足人眼和皮肤安全性的要求，室内可见光通信系统的平均发射功率受到了限制，因此，平均发射功率是评估一种调制技术是否适用于室内光无线通信的重要标准之一。假设各调制方式的峰值发射功率均为PS，“0”和“1”两种符号出现概率相等，则OOK调制方式的平均发射功率POOK=PS/2。同理，可得其余5种调制方式的平均发射功率。表1为各调制方式的带宽需求和平均发射功率。

图2为各调制方式按照OOK归一化后的带宽需求与调制阶数M的关系曲线对比(这里取α=2)。可以看出：OOK的带宽需求最小，PPM的带宽需求最大；DD-DPPM比DH-PIM/RDH-PIM带宽需求略小，三者均介于OOK与DPPM之间；当M≥2时，随着M增大，PPM的带宽需求迅速增大，而DH-PIM/RDH-PIM和DD-DPPM的带宽需求增速较缓。

图2各调制方式按照OOK归一化后的带宽需求对比

图3为各调制方式按照OOK归一化后的平均发射功率与调制阶数M的关系曲线对比。可以看出：

图3各调制方式按照OOK归一化后的平均发射功率对比

DD-DPPM的平均发射功率大于PPM、DPPM和DH-PIM；当M≤2时，DD-DPPM的平均发射功率大于RDH-PIM和OOK；当M>2时，随着M增大，PPM、DPPM、DH-PIM和DD-DPPM的平均发射功率逐渐减小至趋于0，而RDH-PIM的平均发射功率逐渐增大。

2.2误时隙率

在分析调制方式的误时隙率之前，需进行以下假设：1)发射链路为视距链路(LineOfSight,LOS)，而且信号没有多径传输和传输损耗；2)与接收器相关的噪声可以忽略，主要噪声来源是背景发射噪声，可以假定其为高斯白噪声；3)没有来自人造光的干扰；4)发送机和接收机没有带宽限制[13]。

基于以上假设，抽样判决器输入端脉冲信号函数x(t)可以表示为[14]

假设脉冲时隙出现错误的概率为P0/1，空时隙出现错误的概率为P1/0[15]，P1、P0分别表示等概率发送“1”(脉冲时隙)和“0”(空时隙)时的概率，则

(1)

(2)

式中：

为余补误差函数；

为最佳判决门限。则系统总的误时隙率为

Pser=P0/1P1+P1/0P0。

(3)

(4)

(5)

Pser.DPPM=erfc(((2M+1)RSN)1/2/4-((2M+1)RSN)-1/2×

ln((2M-1)/2))/(2M+1)+(2M-1)×

erfc(((2M+1)RSN)1/2/4+((2M+1)RSN)-1/2×

ln((2M-1)/2))/(2M+1+2)；

(6)

(8α+2M+1+4)-1/2(3α)1/2ln((α+2M+2)/

(8α+2M+1+4)-1/2(3α)1/2ln((α+2M+2)/

(7)

Pser.RDH-PIM=(α+2M+2)erfc((2α+2M-1+1)1/2×

(8α+2M+1+4)+3αerfc((2α+2M-1+1)1/2×

(8α+2M+1+4)；

(8)

Pser.DD-DPPM=erfc(((2M-1+α)RSN/(3α))1/2/2-

((2M+1+4α)RSN/(3α))-1/2×

ln((2M-1+α-2)/2))/(2M-1+α)+

(2M-1+α-2)erfc(((2M-1+α)RSN/

(3α))1/2/2+((2M+1+4α)RSN/(3α))-1/2×

ln((2M-1+α-2)/2))/(2M+2α)。

(9)

设定调制阶数M=4且α=2，通过仿真计算，得到各调制方式的误时隙率与信噪比的关系曲线，如图4所示。可以看出：DD-DPPM的抗干扰能力劣于PPM、DPPM和DH-PIM，但优于OOK和RDH-PIM；随着信噪比的增加，各调制方式的误时隙率均逐渐降低。

图4M=4,α=2时各调制方式的误时隙率

3结论

笔者提出了一种新型室内可见光通信调制方式DD-DPPM，给出了其符号结构，并与5种调制方式在带宽需求、平均发射功率和误时隙率3个方面进行了对比分析，结果表明：虽然DD-DPPM调制方式符号长度不固定，容易造成调制器等待或缓存器溢出，但其能获得与OOK相当的带宽需求；当调制阶数M≤2时，DD-DPPM能获得最大的平均发射功率；DD-DPPM还能保持低于RDH-PIM或接近DH-PIM的误时隙率。因此，作为一种综合性能优良的调制方式，DD-DPPM可应用于室内可见光通信系统。本文研究为进一步选择更实用的调制方式提供了理论依据。

参考文献：

[1]潘恺. 白光LED现状与相关问题思考[J]. 科技展望,2015,(13):165.

[2]李荣玲,商慧亮,雷雨,等. 高速可见光通信中关键使能技术研究[J]. 激光与光电子学进展,2013,50(5): 40-50.

[4]KahnJM,BarryJR.WirelessInfraredCommunications[J].ProceedingsoftheIEEE, 1997, 85(2): 265-298.

[5]ShiuD,KahnJM.DifferentialPulse-positionModulationforPower-efficientOpticalCommunication[J].IEEETransactionsonCommunications, 1999, 47(8): 1201-1210.

[6]AldibbiatNM,GhassemlooyZ,McLaughlinR.ErrorPerformanceofDualHeaderPulseIntervalModulation(DH-PIM)inOpticalWirelessCommunications[J].IEEEProceedings:Optoelectronics, 2001, 148(2): 91-96.

[7]刘洋,章国安. 可见光通信调制方式及其性能研究[J]. 激光与光电子学进展,2014,51(9): 61-67.

[8]郭惠军,赵春玲,严林芳. 无线光通信调制方式性能分析[J]. 计算机仿真,2015,43(6): 38-41.

[9]薛德宽,胡爱芹,黄兴洲,等. 可见光通信系统中光源的调制技术的研究[J]. 大学物理实验,2015,28(5): 32-35.

[10]李湘. 基于LED的室内可见光通信菲涅尔光学接收天线的研究[D].北京:北京理工大学,2015.

[11]徐荃,周春,彭金花,等.室内无线光通信调制方式的性能研究[J]. 量子电子学报,2012,29(5): 622-628.

[12]程刚,王红星,孙晓明,等.无线光通信双脉冲间隔调制方法[J]. 中国激光,2010,37(7): 1750-1755.

[13]GhassemlooyZ,PopoolaW,RajbhandariS.OpticalWirelessCommunications[M].BocaRaton:Taylor&FrancisGroup, 2013:172-175.

[14]孙华燕,张来线,赵延仲,等.逆向调制自由空间激光通信技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展,2013,(4):33-41.

[15]张建昆,杨宇,陈弘达.室内可见光通信调制方法分析[J]. 中国激光,2011,38(4):137-140.

(责任编辑: 尚彩娟)

Dual Duration Differential Pulse Position Modulation Based on Visible Light Communication

SONGXiao-qing,JIASheng-jie,ZHAOZi-xu,WEIYou-cai

(DepartmentofControlEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)

Keywords:VisibleLightCommunication(VLC);modulation;DualDurationDifferentialPulsePositionModulation(DD-DPPM);sloterrorrate

Abstract：AnovelmodulationschemecalledDualDurationDifferentialPulsePositionModulation(DD-DPPM)isproposedonthebasisofhighbandwidth,highpowerandlowsloterrorraterequirementsofVisibleLightCommunication(VLC)systeminvehicle.Itssymbolstructure,bandwidthrequirement,averagetransmissionpowerandsloterrorrateareanalyzedandcomputed.FivekindsofmodulationsuchasOn-OffKeying(OOK),PulsePositionModulation(PPM),DifferentialPulse-PositionModulation(DPPM),DualHeaderPulseIntervalModulation(DH-PIM)andReverseDualHeaderPulseIntervalModulation(RDH-PIM)aresimulatedandcomparedforanalysis.ThetheoreticalandsimulationresultsindicatethatDD-DPPMhasbettersloterrorperformancethanOOKandRDH-PIM,offershigherbandwidthefficiencyandaveragetransmissionpowerthanDPPMandDH-PIM.Asaresultoftheabovebenefits,theproposedDD-DPPMisakindofmodulationwithexcellentcomprehensiveperformance,andithasacertainapplicationprospectintheVLCsystem.

文章编号：1672-1497(2016)03-0079-04

收稿日期：2016-02-29

基金项目：军队科研计划项目

作者简介：宋小庆(1971-)，女，教授，博士。

中图分类号：TN929.12

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.017